CN115639408A - 一种高精度土壤电导率自适应监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度土壤电导率自适应监测系统，属于电导率监测技术领域，具体包括：信号激励模块，用于输出激励电信号至待测土壤，所述激励电信号为交流信号；信号采集模块，用于采集所述激励电信号经过土壤后的电势差信号，并采集土壤温度；信号处理模块，用于根据电势差信号的数值反向调整激励电信号的输出数值，将调整后产生的电势差信号进行放大，并根据电势差信号的数值调整放大倍数，将放大后的电势差信号由交流信号转换为直流信号，根据直流信号计算土壤电导率；信号通讯模块，用于将测得的所述土壤电导率实时传输至云平台；本发明实现了针对土壤电势差信号大小自动切换测量量程。
Description
技术领域
本发明涉及电导率监测技术领域，具体涉及一种高精度土壤电导率自适应监测系统。
背景技术
土壤是农业的根本，目前，我国一方面面临着严重的土壤问题，一方面大力发展精准农业、智慧农业，测量土壤电导率可以及时地掌握土壤的健康状况，实时测量农田环境中电导率参数，可以用于指导农业生产中的灌溉、施肥等作业活动，结合水肥一体化设施实现农田环境的自动化灌溉、达到精准施肥、节省人力物力的效果。
现有的土壤电导率测量方法主要是通过土壤溶液电导率方法进行测量，该方法需要从土壤中进行取样，并将样品送往实验室进行过滤、分析等一系列精准且繁琐的实验操作，才能够得到关于样品的土壤电导率；由于实验室测量土壤电导率的耗时长，无法满足快速得到土壤电导率的需求，且需要人工切换测量量程，难以满足现有精准农业、智慧农业的社会需求，因此亟须高精度可控自适应量程的土壤电导率速测系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度土壤电导率自适应监测系统，解决以下技术问题：
现有的土壤电导率测量技术手段测量时间长，测量步骤繁琐，测量精度不足，需要人工切换测量量程，难以满足现有精准农业、智慧农业的社会需求，因此亟须高精度可控自适应量程的土壤电导率速测系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种高精度土壤电导率自适应监测系统，包括信号激励模块、信号采集模块、信号处理模块、信号通讯模块，其中：
信号激励模块，用于输出激励电信号至待测土壤，所述激励电信号为交流信号，所述信号激励模块包括幅频可调信号发生电路、前级带通滤波补偿电路、精密压控恒流源电路，所述幅频可调信号发生电路包括DDS信号发生器、数字电位器、配合运算放大器，所述幅频可调信号发生电路的输出端接入所述前级带通滤波补偿电路，所述压控恒流源模块的输出端接入有土壤电导率信号电极；
信号采集模块，用于采集所述激励电信号经过土壤后的电势差信号，并采集土壤温度；
信号处理模块，用于根据电势差信号的数值反向调整激励电信号的输出数值，将调整后产生的电势差信号进行放大，并根据电势差信号的数值调整放大倍数，将放大后的电势差信号由交流信号转换为直流信号，根据直流信号计算土壤电导率；
信号通讯模块，用于将测得的所述土壤电导率实时传输至云平台。
作为本发明进一步的方案：所述信号采集模块包括土壤电导率信号电极和温度传感器，所述土壤电导率信号电极包括保护电阻、采样电阻、土壤电导率电极、上拉电阻、隔离电感。
作为本发明进一步的方案：所述信号处理模块包括差分放大电路、次级带通滤波补偿电路、交流信号峰值检测电路、外部ADC和微控制单元MCU；
所述土壤电导率电极连接所述差分放大电路，所述差分放大电路连接次级带通滤波补偿电路，所述次级带通滤波补偿电路连接交流信号峰值检测电路，所述交流信号峰值检测电路输出端连接所述外部ADC。
作为本发明进一步的方案：所述信号通讯模块包括MCU、RS485通讯单元、DTU、显示器、温度补偿电路和云平台，所述外部ADC通过SPI接口与所述MCU通讯，所述MCU分别连接显示器和RS485通讯单元，所述RS485通讯单元连接DTU，所述DTU连接云平台。
作为本发明进一步的方案：所述前级带通滤波补偿电路包括带通滤波单元和同相增益单元，所述带通滤波单元为有源带通滤波器，所述有源带通滤波器包括低通RC滤波、高通RC滤波和运算放大器，所述同相增益单元包括同相放大器和数字电位器，所述同相增益单元用于对所述DDS信号发生器信号进行滤波并控制所述DDS信号发生器信号的幅值。
作为本发明进一步的方案：所述差分放大电路分别并联有放大电阻R58和放大电阻R22，且R22<R58，所述放大电阻R58与所述放大电阻R22通过连接MOS管进行并联，所述MOS管连接所述MCU；
所述差分放大电路连接所述土壤电导率信号电极的两端接收差分输入，当采集的所述电势差信号较小时，所述差分放大电路仅并联所述放大电阻R22；当测量的电导率信号较大时，所述差分放大电路仅并联所述放大电阻R58。
作为本发明进一步的方案：所述放大电阻R58与R22的电阻输入由所述MOS管通断进行控制，所述MOS管的通断由MCU进行控制。
作为本发明进一步的方案：所述土壤电导率信号电极串联有精密电阻，所述电势差信号包括土壤电导率信号电极两端的电势差信号和精密电阻两端的电势差信号。
作为本发明进一步的方案：所述幅频可调信号发生电路、前级带通滤波增益电路、压控恒流源模块，土壤电导率信号电极通过构成系统主回路，所述土壤电导率信号电极包括四根探针，其中两根所述探针与所述系统主回路连接，另外两根所述探针与所述差分放大电路连接。
本发明的有益效果：
（1）本发明公开的系统能实现土壤电导率的高精度即时测量，并测量土壤温度以进行温度补偿，本发明通过改变差分放大器的放大倍数，采用软件控制硬件电路的方式实现针对测量的土壤电导率信号自动切换量程，无需手动调节不同档位的量程，有利于提高测量效率，通过控制MOS管的通断来实现差分放大电路并联的阻抗大小的改变，仅通过简单的电路结构实现了差分放大电路的放大倍数的改变，以及通过数字电位器调节再次激励电信号的输出大小，使激励电信号的数值符合测量精度，实现了针对土壤电导率信号大小自动切换量程达到理想精度；
（2）本发明采用的外部ADC为16位采样精度，内部Vref参考电压值2.5V情况下，理想情况下最多达到0.04mV的识别精度，输入信号最大2.5V其转换精度大约为0.02FS%，其换算成电导率精度为4uS/cm的精度，因此，本发明的采样精度较高，且差分放大电路外部输出引脚串联了一个反向稳压二极管，从而土壤电导率电极两端的电势差不会超过设计值，保证其不超过ADC模块的参考电压，进一步保证了土壤电导率的采样精度；本发明的峰值检测电路通过简单的运放配合电容的充放电以及二极管的单向特性实现了将电导率交流信号转换为便于ADC采集的直流信号，从而避免了软件采集波形以及波形解析算法的设计，大大减轻了软件编程的工作难度，并满足了硬件设计的低成本产品化要求；
（3）本发明的测量系统采用了一个特殊的RS485通讯单元的工作机制，巧妙运用了MOS管的开关特性，实现只需要控制MOS管的高低电平实现数据的上传，以及该系统以上电能自动精选数据的接收，使得本监测系统更加结构简单，RS485通讯单元的数字区在RE#和DE两个使能引脚通过保护电阻连接，实现输入和输出过程的错开工作，有利于保证通讯精度；且DCDC隔离模块实现RS485通讯单元的模拟区和数字区的隔离，从而使得RS485信号的干扰可能性降低，进一步保证通讯精度；由于有RS485的通讯模式所以可以接入支持RS485通信的无线设备进行无线传输数据，从而可以实现实时监测。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的电路结构示意图；
图2为本发明的RS485通讯单元的连接示意图；
图3为本发明的DDS信号发生器的连接示意图；
图4为本发明的前级带通滤波增益电路的连接示意图；
图5为本发明的精密压控恒流源电路的连接示意图；
图6为本发明的土壤电导率信号电极的连接示意图；
图7为本发明的温度采集单元的连接示意图；
图8为本发明的差分放大电路的连接示意图；
图9为本发明的次级带通滤波补偿电路的连接示意图；
图10为本发明的交流信号峰值检测电路的连接示意图；
图11为本发明的外部ADC的连接示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-11所示，本发明为一种高精度土壤电导率自适应监测系统，包括信号激励模块、信号采集模块、信号处理模块、信号通讯模块，其中：
信号激励模块，用于输出激励电信号至待测土壤，所述激励电信号为交流信号；
信号采集模块，用于采集所述激励电信号经过土壤后的电势差信号，并采集土壤温度；
信号处理模块，用于根据电势差信号的数值反向调整激励电信号的输出数值，将调整后产生的电势差信号进行放大，并根据电势差信号的数值调整放大倍数，将放大后的电势差信号由交流信号转换为直流信号，根据直流信号计算土壤电导率；
信号通讯模块，用于将测得的所述土壤电导率实时传输至云平台。
在本发明的一种优选的实施例中，所述信号激励模块包括幅频可调信号发生电路、前级带通滤波补偿电路、精密压控恒流源电路，所述幅频可调信号发生电路包括DDS信号发生器、数字电位器、配合运算放大器，所述幅频可调信号发生电路的输出端接入所述前级带通滤波补偿电路，所述压控恒流源模块的输出端接入土壤电导率信号电极；
在本实施例的一种情况中，所述前级带通滤波补偿电路包括带通滤波单元和同相增益单元，所述带通滤波单元为有源带通滤波器，所述有源带通滤波器包括低通RC滤波、高通RC滤波和运算放大器，所述同相增益单元包括同相放大器和数字电位器，所述同相增益单元用于对所述DDS信号发生器的信号进行滤波并控制该信号的幅值；
请参阅图1所示，所述DDS信号发生器的输出端接入前级带通滤波增益电路，所述精密压控恒流源电路的输出端接入土壤电导率信号电极；所述DDS信号发生器是以DDS芯片为核心构成的精准信号发生器，能产生不同频率、幅值、波形的交流激励信号；
请参阅图3所示，C22与C33为去耦电容；CAP引脚接VDD，其内部与调节器相连，同样需要去耦电容，保证内部电路的2.0V供电；COMP为DAC的偏置引脚，采用串接0.1uF电容也避免DAC偏置电压耦合；所述DDS信号发生器芯片内部时钟使用外部有源时钟，所述时钟频率为25MHZ，DDS信号发生器芯片的VOUT引脚为模块的输出引脚，所述发生器的输出引脚连接到前级带通滤波增益电路的输入端，所述前级带通滤波增益电路包括带通滤波模块以及同相增益模块；
请参阅图4所示，所述带通滤波模块是由低通RC滤波、高通RC滤波以及运算放大器所构成的有源带通滤波器，所述同相增益模块是由同相放大器与数字电位器构成的；所述数字电位器可以通过MCU控制其阻值；通过数字电位器调节前级补偿调节恒流源激励电流的大小，实现了针对土壤电导率信号大小自动切换量程达到理想精度，所述精密压控恒流源电路是基于Howland恒流源的压控恒流源；
请参阅图5所示，在原有的Howland恒流源的后端连接一个电压跟随器，保证输出电流只与输入电压Uin以及R7有关，其输出电流i=Uin/ R7，输出电流不随后级负载发生变化。
在本发明的另一种优选的实施例中，所述信号采集模块包括土壤电导率信号电极和温度传感器，所述土壤电导率信号电极包括保护电阻、采样电阻、土壤电导率电极、上拉电阻、隔离电感；
所述采集模块包括土壤电导率信号电极和温度传感器，所述土壤电导率信号电极由保护电阻、采样电阻、土壤电导率电极、上拉电阻、隔离电感串联而成的，参阅图6所示，保护电阻为对模块起到保护作用，采样电阻为精度为0.1%的精密电阻，采集的电势差信号作为土壤电导率信号的参考基准，所述土壤电导率电极是由四根奥氏体316不锈钢电极探针口组成，第一、第四根为电流探针，第二、第三根为电压探针，四根探针间隔为2cm，所述探针耐温能力强，导电能力强，具有良好的抗机械冲击能力与耐压能力，所述上拉电阻将土壤电导率信号的第三根探针的电位抬高，避免其直接接地，隔离电感是为了阻止地平面的杂波干扰信号采集；所述温度传感器参阅图7所示，主要进行温度的感知，为后续温度补偿提供温度量的参考，所述温度传感器的型号为DS18B20。
在本发明的另一种优选的实施例中，所述信号处理模块包括差分放大电路、次级带通滤波补偿电路、交流信号峰值检测电路、外部ADC和微控制单元MCU；
所述土壤电导率电极连接所述差分放大电路，所述差分放大电路连接次级带通滤波补偿电路，所述次级带通滤波补偿电路连接交流信号峰值检测电路，所述交流信号峰值检测电路输出端连接所述外部ADC；
在实施例的一种优选的情况中，所述差分放大电路分别并联有放大电阻R58和放大电阻R22，且R22<R58，所述放大电阻R58与所述放大电阻R22通过连接MOS管进行并联，所述MOS管连接所述MCU；
所述差分放大电路连接所述土壤电导率信号电极的两端接收差分输入，当采集的所述电势差信号较小时，所述差分放大电路仅并联所述放大电阻R22；当测量的电导率信号较大时，所述差分放大电路仅并联所述放大电阻R58；
在实施例的另一种优选的情况中，所述放大电阻R58与R22的电阻输入由所述MOS管通断进行控制，所述MOS管的通断由所述MCU进行控制；
请参阅图8所示，差分放大电路连接精密电阻的两端以及土壤电导率电压探针的两端，接收差分输入，减少输入信号的共模干扰，通过改变R22和R58的阻值可以调整差分增益倍数，当测量的电导率信号较小时，会切换小电阻值使得差分增益变大，当测量的电导率信号较小时，会切换大电阻值使得差分增益变小，从而实现了量程的自动切换；
请参阅图9所示，次级带通滤波补偿电路原理与前级带通滤波增益电路相同，后级连接了一个同相放大器，将滤波衰减后的信号强度放大1.8倍实现了信号强度的补偿；
请参阅图10所示，交流信号峰值检测电路，由于运放的虚短虚断特性，输入的正弦波信号全部加载到运放的同相输入端，在正半周期时，D1，D3导通，给电容C1不断充电，最终使得C1正极板电压维持在峰值，随后电压通过一个电压跟随输出到AD7705，在负半周期时，由于要维持运放的虚短虚断特性会导致运放的输入端输出一个比负峰值电压低一个二极管管压降的负电压，导致D1导通，由于D3的右侧维持在正峰值，所以D3截止，R6作为限流电流避免了负半周期时，电流过大烧毁电路；所述外部ADC为16位采样精度的低功耗双通道ADC，其电路连接如图11所示，在AD7705芯片外部配置4.9512M的外部晶振，MCLCK的两个引脚串接20pF的电容保证产生稳定的时钟信号；外部电压信号采集通道1输入土壤电极两端的电导率信号，通道2输入精密电阻两端的电势差信号，参考电源为2.5V，由电压基准芯片TL431产生。
在本实施例的另一种优选的情况中，所述信号通讯模块包括MCU、RS485通讯单元、DTU、显示器、温度补偿电路和云平台，所述外部ADC通过SPI接口与所述MCU通讯，所述MCU分别连接显示器和RS485通讯单元，所述RS485通讯单元连接DTU，所述DTU连接云平台；
RS485通讯单元的RXD和TXD引脚连接MCU，RS485通讯单元与DTU通过RS485连接，DTU连接云平台，用于系统的监测土壤电导率数据的云端上传显示；所述DTU是广义的一种支持RS485无线数据传输的设备，可以是无线数据采集终端；所述云平台也是广义的平台，一种能够针对数据进行实现显示存储的平台；所述RS485通讯单元包含数字区和模拟区；
请参阅图2所示，所述RS485通讯单元的RE和DE两个使能引脚均连接保护电阻，所述RS485通讯单元的RE和DE两个使能引脚均外部连接一个MOS开关管Q1的漏极，所述MOS开关管Q1的源极接地，所述MOS开关管Q1的栅极为发送数据的引脚TXD连接MCU，所述RS485通讯单元的R引脚为接收数据的引脚RXD连接MCU；所述RS485通讯单元的数字区在RE和DE两个接收和输出信号使能的引脚通过保护电阻连接，实现输入和输出过程的错开工作，来保证通讯精度；也可以不需要程序控制让他自动输出采集的信号，再在RE和DE两个引脚外部串联一个MOS管，该MOS管充当一个开关的功能，一旦输入一个高电平该开关便会导通，从而对数据进行采集，所以我们只需要通过软件控制TXD输入高电平的一个输入频率，从而实现数据的接收和发送的通讯功能；所述RS485通讯单元的模拟区在A、B两个电压输入输出引脚分别串联一个保护电阻和一个反向稳压二极管（分别为R41和TVS7、R44和TVS8），达到保护电路的目的，然后在VCC1和VCC2两个供电引脚串联了电容进行滤波降噪，防止来自220V交流电的交流的噪声的干扰，保证电路精度；所述RS485通讯单元芯片型号为ISO3082DWR，设备可在-40°C至+85°C范围内使用。
在本发明的另一种优选的实施例中，所述土壤电导率信号电极串联有精密电阻，所述电势差信号包括土壤电导率信号电极两端的电势差信号和精密电阻两端的电势差信号。
值得注意的是，所述幅频可调信号发生电路、前级带通滤波增益电路、压控恒流源模块，土壤电导率信号电极通过构成系统主回路，所述土壤电导率信号电极包括四根探针，其中两根所述探针与所述系统主回路连接，另外两根所述探针与所述差分放大电路连接。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围；凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (9)
1.一种高精度土壤电导率自适应监测系统，其特征在于，包括信号激励模块、信号采集模块、信号处理模块、信号通讯模块，其中：
信号激励模块，用于输出激励电信号至待测土壤，所述激励电信号为交流信号，所述信号激励模块包括幅频可调信号发生电路、前级带通滤波补偿电路、精密压控恒流源电路，所述幅频可调信号发生电路包括DDS信号发生器、数字电位器、配合运算放大器，所述幅频可调信号发生电路的输出端接入所述前级带通滤波补偿电路，所述压控恒流源模块的输出端接入有土壤电导率信号电极；
信号采集模块，用于采集所述激励电信号经过土壤后的电势差信号，并采集土壤温度；
信号处理模块，用于根据电势差信号的数值反向调整激励电信号的输出数值，将调整后产生的电势差信号进行放大，并根据电势差信号的数值调整放大倍数，将放大后的电势差信号由交流信号转换为直流信号，根据直流信号数值计算土壤电导率；
信号通讯模块，用于将测得的所述土壤电导率实时传输至云平台。
2.根据权利要求1所述的一种高精度土壤电导率自适应监测系统，其特征在于，所述前级带通滤波补偿电路包括带通滤波单元和同相增益单元，所述带通滤波单元为有源带通滤波器，所述有源带通滤波器包括低通RC滤波、高通RC滤波和运算放大器，所述同相增益单元包括同相放大器和数字电位器，所述同相增益单元用于对所述DDS信号发生器的信号进行滤波并控制该信号的幅值。
3.根据权利要求1所述的一种高精度土壤电导率自适应监测系统，其特征在于，所述信号采集模块包括土壤电导率信号电极和温度传感器，所述土壤电导率信号电极包括保护电阻、采样电阻、土壤电导率电极、上拉电阻、隔离电感。
4.根据权利要求3所述的一种高精度土壤电导率自适应监测系统，其特征在于，所述信号处理模块包括差分放大电路、次级带通滤波补偿电路、交流信号峰值检测电路、外部ADC和MCU；
所述土壤电导率电极连接所述差分放大电路，所述差分放大电路连接次级带通滤波补偿电路，所述次级带通滤波补偿电路连接交流信号峰值检测电路，所述交流信号峰值检测电路输出端连接所述外部ADC。
5.根据权利要求4所述的一种高精度土壤电导率自适应监测系统，其特征在于，所述差分放大电路分别并联有放大电阻R58和放大电阻R22，且R22<R58，所述放大电阻R58与所述放大电阻R22通过连接MOS管进行并联，所述MOS管连接所述MCU；
所述差分放大电路连接所述土壤电导率信号电极的两端接收差分输入，当采集的所述电势差信号较小时，所述差分放大电路仅并联所述放大电阻R22；当测量的电导率信号较大时，所述差分放大电路仅并联所述放大电阻R58。
6.根据权利要求5所述的一种高精度土壤电导率自适应监测系统，其特征在于，所述放大电阻R58与R22的电阻输入由所述MOS管通断进行控制，所述MOS管的通断由所述MCU进行控制。
7.根据权利要求4所述的一种高精度土壤电导率自适应监测系统，其特征在于，所述信号通讯模块包括RS485通讯单元、DTU、显示器、温度补偿电路和云平台，所述外部ADC通过SPI接口与所述MCU通讯，所述MCU分别连接显示器和RS485通讯单元，所述RS485通讯单元连接DTU，所述DTU连接云平台。
8.根据权利要求1所述的一种高精度土壤电导率自适应监测系统，其特征在于，所述土壤电导率信号电极分别串联有精密电阻，所述土壤电导率信号电极两端的电势差子信号和所述精密电阻两端的电势差子信号共同组成所述电势差信号。
9.根据权利要求4所述的一种高精度土壤电导率自适应监测系统，其特征在于，所述幅频可调信号发生电路、前级带通滤波增益电路、压控恒流源模块和土壤电导率信号电极构成系统主回路，所述土壤电导率电极包括四根探针，其中两根所述探针与所述系统主回路连接，其中另外两根所述探针与所述差分放大电路连接。
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